Messdynamik eliminiert Wettereinfluss

Füllstandradar sorgt für Überlaufschutz in Laugenbehältern

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13.06.2019 Je nach Behälterform werden Füllstandmessgeräte manchmal an eigentümlich anmutenden Positionen installiert. Je schwerer das Gerät und je länger ein Ausleger, desto größer sind die Kräfte, die auf die Konstruktion wirken. Bei K+S Kali setzt man deshalb auf Geräte mit fokussiertem Radarstrahl und hoher Messdynamik.

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Entscheider-Facts für Betreiber

  • Für die berührungslose Messung des Füllstands in konischen Tanks müssen die eingesetzten Geräte in besonderer Weise installiert werden.
  • An einem Ausleger installierte Radargeräte sind hohen Windlasten ausgesetzt, was auch zu Lasten der Messgenauigkeit geht.
  • Die hohe Dynamik des 80-GHz-Radars macht es möglich, den Sensor leicht geneigt zur Flüssigkeitsoberfläche einzusetzen. Dadurch kann ein kürzerer Ausleger verwendet werden.

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Bild: Michael Wolf / TeamDaf – AdobeStock

Vor rund 250 Millionen Jahren war Mitteleuropa von Meer bedeckt, das dann ausgetrocknete und gewaltige Mengen kalihaltige Schichten in der Erdoberfläche zurückließ. Am K+S-Standort Zielitz erntet man quasi noch heute die Früchte des erdgeschichtlichen Umbruchs und veredelt diese in Form von Kalidünger.

Ob bei Hobbygärtnern oder in der Landwirtschaft – ohne Kalidünger wäre so mancher Rasen gelber und manche Ernte würde bescheidener ausfallen. Eine der größten und modernsten Produktionsanlagen für Kalidünger ist das Kaliwerk Zielitz in Sachsen-Anhalt, das zugleich auch der größte Einzelstandort der K+S Kali GmbH ist. Dort werden kaliumhaltige Rohsalze zur Herstellung von Düngemitteln, Produkten für industrielle Anwendungen sowie für die Futter- und Lebensmittelindustrie gewonnen. Pro Jahr werden in Zielitz rund zwölf Millionen Tonnen Rohsalz gefördert. Die Produktionsmenge entspricht rund 30 % der Gesamtproduktion der K+S Kali. In Zielitz werden jedes Jahr circa 2 Mio. Tonnen verkaufsfähige Endprodukte hergestellt, die weltweit versandt werden. Darüber hinaus werden die Produkte aber auch in anderen industriellen, technischen und pharmazeutischen Anwendungen verwendet. So hat Kaliumchlorid als hochreines Salz eine große Bedeutung für die Elektrolyse.

Zur Herstellung von Düngemitteln wird das Rohsalz unter Tage abgebaut, aufgemahlen und gelöst. Anschließend werden die nicht verwertbaren Bestandteile über eine Flotation abgetrennt. In diesem Verfahren werden gewaltige Mengen Lauge hin und her gepumpt, um eine höhere Konzentration der Salzlauge zu erreichen. Als Puffer für die Lauge dienen zwei sogenannte Intze-Tanks, die eine Höhe von 15 Metern haben und vor allem durch ihre Form auffallen. Die gewaltigen Behälter sind nach unten konisch verjüngt.

Die beiden Lagertanks benötigen eine kontinuierliche Messung, damit der Füllstand permanent überwacht werden kann. Zum einen aus Umweltgesichtspunkten und der Betriebssicherheit, zum anderen aber auch, damit die Pufferkapazität genau errechnet werden kann. Da die Lauge aggressiv ist, wurde schon immer eine berührungslos arbeitende Füllstandmessung gewählt. Allerdings ist der tiefste Messpunkt aufgrund der konischen Form der Tanks weit vom oberen Rand nach innen verschoben. Dies führte zu einer auf den ersten Blick etwas eigenartig wirkenden Konstruktion mit einem sehr großen Ausleger, damit genau in der Mitte des Tanks gemessen werden konnte. Hinzu kamen teilweise starke Anhaftungen an der Behälterwand.

Zunächst versuchte man es mit einem Messverfahren auf Ultraschallbasis. Die große Messdistanz führte jedoch zu Fehlmessungen, zudem bereitete Kondensat bei Regen oder Schnee Schwierigkeiten. Viele Jahre wurde daraufhin ein Radarfüllstandmessgerät eingesetzt. Dieses Gerät auf 26-GHz-Basis mit Hornantenne lieferte korrekte Messwerte, aber starke Sturmböen oder Schneelasten belasteten den gewaltigen Ausleger stark. Dieser war zwar recht massiv aufgebaut, trotzdem merkte man die Witterungseinflüsse und die hohen mechanischen Belastungen.

Neues Gerät, neue Chancen

Die Situation änderte sich schlagartig, als im Jahr 2016 der Vegapuls 64 auf den Markt kam. Die Betreiber erkannten die Chance des neuen Radarmessgerätes, das mit einer hohen Messfrequenz von 80 GHz arbeitet. Das Füllstandradar zeichnet sich durch eine bessere Fokussierung und eine große Dynamik aus. Beides Eigenschaften, die sich bei Messstellen der beiden Tanks bewährten.
Der Dynamikbereich bei Radarsensoren liefert eine Aussage darüber, in welchen Anwendungsbereichen ein Sensor eingesetzt werden kann, sprich der Unterschied zwischen größtem und kleinstem Signal. Je größer die Dynamik, desto breiter das Einsatzspektrum der Sensoren und desto höher die Messsicherheit.

Der Vegapuls 64 verfügt über einen mit 120 dB sehr großen Dynamikbereich und kann dadurch auch sehr kleine Reflexionssignale noch erkennen. Die hohe Dynamik machte es nun möglich, einen wesentlich kürzeren Ausleger einzusetzen, da der Sensor leicht geneigt zur Flüssigkeitsoberfläche eingesetzt wurde. Das ist bei ebenen Flüssigkeitsoberflächen zwar nicht typisch, da ein großer Teil der gesendeten Energie wie bei einem Spiegel zur Seite reflektiert wird und damit nicht wieder zurück zum Empfänger gelangt. Durch die leichte Wellenbewegung wird jedoch ein kleiner Teil der Energie auch in Richtung des Sensors zurückgestrahlt, die aufgrund des großen Dynamikbereiches für eine zuverlässige Messung ausreicht. Die Windlast konnte durch den kürzeren Ausleger erheblich reduziert werden.

Darüber hinaus beeinflussen den Radarsensor die Ablagerungen im Behälter wenig. Auch hier profitiert die Messung von dem sehr geringen Abstrahlwinkel des neuen Geräts, von 4°, im Gegensatz zu dem Radarsensor mit 26 GHz Sendefrequenz, bei dem der Öffnungswinkel etwa 10° bei einer Antennengröße von DN 80 beträgt. Dadurch kann der Sensor selbst in Behältern mit Einbauten oder bei Anhaftungen an der Behälterwand sicher eingesetzt werden, weil der Messstrahl einfach daran vorbeigeht.

Gute Erfahrungen von Anfang an

K+S am Standort Zielitz war einer der ersten Anwender des damals neu auf den Markt gebrachten Radarsensors Vegapuls 64. Das über Jahrzehnte gewachsene Vertrauen zum Gerätehersteller war so groß, dass selbst auf eine Probemessung verzichtet wurde. Die Inbetriebnahme war für den Betreiber einfach, da die Bedienung des Sensors dem bekannten Plics-Konzept folgt und weil die aufwendige Störechoausblendung mit der 80-GHz-Technologie häufig entfallen kann. Der Erfolg gab dem Team recht: Nach einem halben Jahr setzte man auch auf dem zweiten Tank die Radarfüllstandmesstechnik auf 80-GHz-Basis ein. Seitdem gibt es keinerlei Probleme durch Kondensat, böige Winde oder Schnee, die der Messstelle bisher Probleme bereitet hatten.

Zur Technik: Die Messdynamik entscheidet

In welchen Anwendungsbereichen ein Radarsensor eingesetzt werden kann, hängt von dessen Messbereichsdynamik ab. Die Dynamik beschreibt den Unterschied zwischen kleinstem und größtem Signal. Je größer die Dynamik, desto breiter das Einsatzspektrum der Sensoren und desto höher die Messsicherheit. Ein großer Dynamikbereich bedeutet, dass Störeinflüsse wie Staubbildung oder dämpfende Einflüsse wie Nebel etc. das Messsignal weniger beeinträchtigen als bei Geräten mit niedriger Dynamik. Dadurch steigt die Messsicherheit, und eine zuverlässige Füllstandmessung ist möglich. Zudem lässt sich der Füllstand auch ganz nah am Behälterboden ermitteln.

www.vega.com

80-GHz-Radar bewährt sich in schwierigen und neuen Füllstand-Messaufgaben

 

Jürgen Skowaisa, Produktmanager Radar, Vega Grieshaber

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Jürgen Skowaisa, Produktmanager Radar, Vega Grieshaber
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